Нобелевской премии по физике удостоились авторы методов манипуляции с отдельными элементарными частицами.

Дэвид Вайнленд и Серж Арош: фотонами по атомам, атомами — по фотонам
В экспериментах Вайнленда ионы удерживались в электромагнитной ловушке и с помощью лазера переводились в минимальное энергетическое состояние
Арош с коллегами поймали микроволновые фотоны в зеркальную ловушку, и, пока те искали выход, манипулировали ими как хотели

Квантовые компьютеры способны совершить очередную технологическую революцию. Производительность их будет во много раз превосходить все, что доступно самым мощным современным супекомпьютерам — возможно, уже в нынешнем веке на них будут обсчитываться самые сложные процессы, при работе с которыми пока приходится обходиться более или менее упрощенными моделями.

Понятно, что прежде чем говорить о практическом создании квантового компьютера, необходимо научиться выделять отдельные квантовые частицы, а также манипулировать ими — считывать и изменять их состояние, «запутывать» друг с другом. Новоиспеченные Нобелевские лауреаты — американец Дэвид Вайнленд (David Wineland) и француз Серж Арош (Serge Haroche) — стали пионерами в решении этих задач. Вайнленду с коллегами удалось разработать методы удержания отдельных атомов и манипулировать с ними с помощью фотонов, а команде Сержа Ароша — методы для удержания фотонов и манипуляции посредством атомов.

В экспериментах Вайнленда ионы удерживались в магнитной ловушке, в условиях сверхнизких температур и глубокого вакуума. Сверхкороткие модулируемые лазерные импульсы посылали в систему протоны заданных характеристик. Таким путем авторам удалось полностью контролировать состояние ионов, переводя их на нужный энергетический уровень, или в суперпозицию — существовании в нескольких состояниях одновременно.

В итоге Вайнленд с коллегами стали первыми, кому удалось провести полноценную операцию с системой из двух кубитов, а заодно сконструировали самые точные часы в мире, в сотни раз точнее являющихся сейчас эталоном цезиевых атомных часов. Их система — оптическая: для этого надо запереть в ловушке пару ионов. Один из них выполняет роль хронометра (колебательной системой, «маятником» служат осцилляции иона между доступными энергетическими состояниями), а другой, связанный с ним, позволяет считывать его текущие показания с помощью лазера. По расчетам, точность такой системы превышает 1/1017 — иначе говоря, если б эти часы были запущены в момент Большого Взрыва, за прошедшие с тех пор миллиарды лет они бы сбились секунд на пять.

У Ароша ловушка была зеркальная, из глубоко охлажденного сверхпроводника, между стенками которого фотоны могли отражаться много раз, не рассеиваясь и не поглощаясь. В такой системе фотон мог оставаться целых 0,1 секунды, все отражаясь и отражаясь и покрывая расстояние в 40 тыс. км. Этого времени вполне достаточно для того, чтобы воздействовать на него.

В качестве инструмента воздействия использовались ридберговские атомы — атомы щелочных металлов, внешнее электронное облако которых находится в перевозбужденном состоянии, из-за чего диаметр такого атома увеличивается в сотни, а то и в тысячи раз. Бомбардировка фотонов ридберговскими атомами позволила Арошу с коллегами добиться того же, что и Вайнленду: регистрировать и контролируемо изменять состояние частиц, добиваться квантовой суперпозиции и даже запутывания.

Сегодня на основе их работ вовсю идет создание долгожданных квантовых компьютеров. И если Вайнленду удалась работа с двумя кубитами, теперь имеются возможности манипуляции уже со 128-ю. Быть может, революция не за горами.

Кстати, наверняка не останутся без дела и потрясающие часы Вайнленда. Лучшая точность при отслеживании времени позволит улучшить аккуратность работы целой массы спутниковых систем, от коммуникаций и до глобальной навигации. Ну а 8 миллионов шведских крон денежной премии будут разделены между Вайнлендом и Арошем поровну.

По пресс-релизу Нобелевского комитета